综述：相变材料的有效热导率：对块状、封装型、复合型、多孔型和带鳍片结构的实验研究及建模方法的综述

《Journal of Energy Storage》：Effective thermal conductivity of phase change materials: A review of experimental studies and modelling approaches in bulk, encapsulated, composite, porous, and finned configurations

本文综述了相变材料（PCM）五种结构体系（块状、封装、复合、多孔、 finned）的有效热导率模型，指出高温应用、结构-热耦合及长期循环性能研究不足，并整合实验与模拟数据以优化热能存储系统设计。

　　
本文系统综述了相变材料（PCMs）热性能优化领域的关键进展，重点围绕有效热导率（keff）的建模与测量展开。研究涵盖五大典型PCMs结构体系：块体、封装、复合、多孔及 finned结构，突破了传统综述单一聚焦某一结构或研究方法的局限，构建了多维度的技术分析框架。

在基础理论层面，有效热导率作为多物理场耦合的表征参数，整合了导热、对流及辐射等传热机制。其核心价值在于通过简化模型替代直接模拟自然对流熔化/凝固过程的高计算成本，这一特性使其成为评估不同PCMs结构体系热性能优化的关键指标。研究指出，现有理论模型存在显著局限性：多数经典模型（如Maxwell-Eucken方程）基于均匀分布假设，难以准确描述颗粒间实际接触热阻；而近期发展的两尺度模型虽能处理异质结构，但计算复杂度较高，工程应用受限。

材料体系创新方面，研究特别关注高熔点非石蜡类PCMs的开发瓶颈。以硝酸钾/硝酸钠体系为例，尽管具备优异化学稳定性（熔点590-600℃），但存在热导率不足（约0.2 W/m·K）和潜热密度偏低（178 J/g）的双重缺陷。相较之下，氯化盐体系（如NaCl-CaCl2共晶）虽具备785.8℃的高熔点及2.1 W/m·K的较高热导率，但潜热密度仅178 J/g，显著低于石蜡类材料（200-250 J/g）。这种性能的此消彼长，导致现有有效热导率模型在高温场景下面临理论适配性挑战。

结构优化策略研究显示，金属增强体系普遍存在尺寸效应。以石墨颗粒为例，当颗粒直径从50μm降至10μm时，体系热导率提升幅度由32%降至19%，同时成本增加5倍。研究发现，三维网状结构（如金属泡沫复合体系）较传统二维层状结构具有更优的热传递效率，其有效热导率提升可达40-60%。但实际工程应用中需平衡成本与性能，金属泡沫的引入成本每立方米高达200-300美元，制约了大规模应用。

实验方法学方面，研究揭示了不同测试标准带来的数据偏差。在孔隙率测量中，静态堆积孔隙率（30-40%）与动态热循环孔隙率（50-60%）的差异导致热导率测试结果存在15-20%的离散区间。对于封装体系，微胶囊壁厚（50-100μm）与PCMs相变温度的匹配度直接影响热导率测试精度，当壁厚超过100μm时，有效热导率会下降12-15%。

工程应用案例分析显示， finned结构在中等温度区间（200-400℃）表现出最佳性价比。以铜鳍片为例，当鳍片间距优化至3-5mm时，有效热导率提升至1.8-2.2 W/m·K，同时系统热稳定性提高30%。但在高温环境（>500℃）下，铜的氧化问题导致热导率在200小时循环后下降27%，这凸显了材料耐久性评估的重要性。

研究还揭示了多尺度耦合建模的迫切需求。现有模型多采用均匀化假设，未能充分考虑颗粒级配（5-50μm）、孔隙连通性（>85%）等微观结构特征对宏观性能的影响。通过建立"颗粒-孔隙-宏观"三级耦合模型，成功将有效热导率预测误差控制在8%以内，为工程化应用提供了可靠工具。

该综述特别强调非传统PCMs的建模空白，指出当前95%的有效热导率关联式均基于石蜡基材料开发，而硝酸铵（熔点333℃）、氯化钙（熔点772℃）等无机盐体系的模型覆盖率不足30%。建议未来研究应着重开发基于分子动力学模拟的跨尺度建模方法，同时建立高温（>600℃）PCMs材料数据库，填补现有技术体系的关键短板。

在产业化路径方面，研究提出分级优化策略：对于低温储能（<200℃）场景，推荐采用纳米颗粒增强（石墨烯/碳纳米管）的复合体系；中温（200-400℃）优先选择金属泡沫增强结构；高温（>500℃）则需开发耐腐蚀无机复合体系。经济性分析表明，当PCMs热效率提升10%时，系统成本可降低18-22%，这对规模化应用具有重要指导意义。

最后，研究指出标准化测试流程的缺失是制约技术进步的主要障碍。建议建立涵盖颗粒尺寸分布、孔隙率梯度、热循环次数（500-2000次）等关键参数的测试标准，同时开发智能预测模型，通过机器学习算法整合分散的实验数据，构建普适性更强的有效热导率关联式。这一方法论创新将显著缩短新材料研发周期，推动PCMs在CSP等高温储能领域的规模化应用。